CN113356800A - 一种海洋水合物与自由气联合开采的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋水合物与自由气联合开采的实验装置及实验方法，所述实验装置包括成藏系统、用于向成藏系统注入蒸汽的蒸汽注入系统、用于将成藏系统中水合物进行固态流化模拟开采的固态流化开采系统、用于将成藏系统中水合物进行模拟降压开采的降压开采系统以及用于对成藏系统、蒸汽注入系统、固态流化开采系统及降压开采系统进行数据采集及控制的数据采集和控制系统；所述蒸汽注入系统、固体流化开采系统、降压开采系统均分别与数据采集和控制系统电连接；本发明可实现海洋水合物与自由气联合开采的实验模拟。

Description

一种海洋水合物与自由气联合开采的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体涉及一种海洋水合物与自由气联合开采的实验装置及实验方法。

背景技术

天然气水合物是由水和天然气在高压、低温环境下生成的非化学计量性笼状晶体，是一种高密度、高热值的非常规能源，天然气水合物（以下简称水合物）作为一种新型的清洁能源一直备受关注，据估计陆地上20.7%和深水海底90%的地区具有形成水合物的有利条件，其中海洋水合物储量巨大，水合物被认为是21世纪最有潜力的替代能源。

海洋天然气水合物虽然储量巨大、开发前景广阔，但存在天然气丰度远低于致密气和页岩气，产量低、连续开采困难，难以实现规模化开采等问题，目前水合物未能实现商业化开采，仍处在短期科研试采阶段。海洋天然气水合物大多表现为浅表层、中深层水合物与下覆自由气存在纵向耦合共生关系，可通过上覆水合物与下覆自由气联合开采方法实现其商业化开采。目前，海洋天然气水合物与自由气的联合开采技术尚未形成，亟需在海洋天然气水合物与自由气的联合开采技术方面开展科技攻关，因此，必备的实验室模拟实验及装备不可或缺。前期虽已有学者在水合物开采方式模拟方面开展过相关研究，现有实验装置仅涉及海洋天然气水合物单一开采方式及采气量随时间变化规律研究，不具备水合物与自由气联合开采模拟功能、不具备海洋水合物联合开采过程中气液固三相的空间展布规律的“可视化”原位实时动态反演、联合开采过程中开采过程中储层孔隙度和饱和度变化规律的原位实时动变规律监测、联合开采过程中储层物性参数动态演变规律等研究功能，进而，严重影响海洋天然气水合物的安全、高效开采研究，因此，迫切需要研制一种能够用于模拟海洋水合物与自由气联合开采的实验装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋水合物与自由气联合开采的实验装置及实验方法，以解决现有技术中无法模拟海洋水合物与自由气联合开采的实验装置的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，包括成藏系统、用于向成藏系统注入蒸汽的蒸汽注入系统、用于将成藏系统中水合物进行固态流化模拟开采的固态流化开采系统、用于将成藏系统中水合物进行模拟降压开采的降压开采系统以及用于对成藏系统、蒸汽注入系统、固态流化开采系统和降压开采系统进行数据采集及控制的数据采集和控制系统；所述蒸汽注入系统、固体流化开采系统、降压开采系统均分别与数据采集和控制系统电连接。

进一步的，所述成藏系统包括外釜、位于外釜内侧的内釜和釜盖；所述釜盖分别与外釜和内釜活动连接，且釜盖与外釜和内釜均为密封连接；所述内釜内侧自上而下依次设有海水层、盖层、水合物层、1号隔层、1号自由气层、2号隔层及2号自由气层；所述成藏系统还包括对用于对内釜提供低温环境的外釜制冷机组和对海水层、水合物层、1号自由气层、2号自由气层进行分层控温的内釜制冷机组；所述内釜制冷机组、外釜制冷机组分别与数据采集和控制系统电连接。

进一步的，所述成藏系统还包括分别用于监测水合物层、1号自由气层、2号自由气层的温度、压力、电阻率、横波波速的1号储层监测组件、2号储层监测组件和3号储层监测组件；所述釜盖上安装有监测水合物层、1号自由气层以及2号自由气层纵波数据的动态变化规律纵波监测仪；所述1号储层监测组件、2号储层监测组件、3号储层监测组件、纵波监测仪分别与数据采集和控制系统电连接。

进一步的，所述固态流化开采系统包括1号海水储罐34、高压注入泵、流化开采管、回收转换头、混合流体处理装置；所述流化开采管包括固态流化内管和设置在固态流化内管外侧的固态流化外管，所述固态流化外管和固态流化内管间具有环空结构；所述固态流化内管的一端通过管道与高压注入泵连接，固态流化内管的另一端伸入水合物层内；所述固态流化外管的一端通过回收转换头与混合流体处理装置连接，固态流化外管的另一端伸入水合物层内；所述1号海水储罐34与高压注入泵间通过管道连接；所述高压注入泵、混合流体处理装置分别与数据采集和控制系统电连接。

进一步的，所述混合流体处理装置包括流体管道以及沿着流体流动方向顺次设置在流体管道上的1号三相分离器、9号阀、3号背压调节阀、1号气体质量流量计、10号阀、14号阀；所述流体管道的一端与回收转换头连接，所述流体管道的另一端与储气罐连接；所述1号三相分离器、9号阀、3号背压调节阀、1号气体质量流量计、10号阀、14号阀分别与数据采集和控制系统电连接。

进一步的，所述降压开采系统包括降压开采管道、与水合物连通的1号降压开采井筒、与1号自由气层连通的2号降压开采井筒以及与2号自由气层连通的3号降压开采井筒；所述降压开采管道的一端分别与1号降压开采井筒、2号降压开采井筒、3号降压开采井筒连接，所述降压开采管道的另一端与储气罐连接；所述降压开采管道上沿着流体的流动方向依次连接有13号阀、1号背压调节阀、2号三相分离器、2号背压调节阀、2号气体质量流量计；所述13号阀、1号背压调节阀、2号三相分离器、2号背压调节阀、2号气体质量流量计均分别与数据采集和控制系统电连接。

进一步的，所述蒸汽注入系统包括蒸汽注入管道，所述蒸汽注入管道沿着注入蒸汽方向依次连接的清水罐、8号阀、清水注入泵、7号阀、蒸汽发生器、6号阀、蒸汽注入泵、5号阀，所述蒸汽注入管道与水合物层连通；所述8号阀、清水注入泵、7号阀、蒸汽发生器、6号阀、蒸汽注入泵、5号阀分别与数据采集和控制系统电连接。

进一步的，所述数据采集和控制系统包括控制柜和与其电连接的计算机。

进一步的，所述内釜制冷机组、外釜制冷机组、1号储层监测组件、2号储层监测组件、3号储层监测组件、纵波监测仪、高压注入泵、1号三相分离器、9号阀、3号背压调节阀、1号气体质量流量计、10号阀、14号阀、13号阀、1号背压调节阀、2号三相分离器、2号背压调节阀、2号气体质量流量计、8号阀、清水注入泵、7号阀、蒸汽发生器、6号阀、蒸汽注入泵、5号阀分别与控制柜电连接。

本发明提供的应用上述的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置进行实验的方法，包括下述步骤：

S1：蒸汽注入过程

实验操作人员首先通过数据采集和控制系统控制蒸汽注入系统向成藏系统的水合物层注入蒸汽计，水合物层遇到高温蒸汽后持续发生分解，然后进入下一步的联合开采过程；

S2：联合开采过程

实验操作人员通过数据采集和控制系统设定开采压差，通过数据采集和控制系统控制固态流化开采系统对水合物层进行模拟开采，通过数据采集和控制系统控制降压开采系统对1号自由气层、2号自由气层和水合物层进行降压开采。

进一步的，各步骤具体为：

S1：蒸汽注入过程

实验操作人员首先通过计算机下达打开5号阀、6号阀、7号阀、8号阀及启动蒸汽注入泵、蒸汽发生器、清水注入泵的指令，清水注入泵把清水罐内的清水持续注入到蒸汽发生器，蒸汽发生器持续产生高温蒸汽，蒸汽注入泵把蒸汽发生器产生的高温蒸汽经蒸汽注入管线注入至水合物层，水合物层9遇到高温蒸汽后持续发生分解，然后进入下一步的联合开采过程；

S2：联合开采过程

（1）实验操作人员通过计算机设定开采压差，计算机根据实验需求的开采压差动态调整1号背压调节阀的出口压力，计算机动态调整2号背压调节阀、3号背压调节阀的出口压力与1号背压调节阀的出口压力形同；实验操作人员通过计算机下达指令打开9号阀、10号阀、11号阀、13号阀、14号阀、20号阀、21号阀、22号阀，同时实验操作人员通过计算机下达指令启动高压注入泵，高压注入泵把海水储罐内海水加压后经固态流化内管注入水合物层，水合物层被高压海水高压射流碎化后形成的天然气、海水、水合物、泥砂经固态流化外管与固态流化内管11之间环空结构上返至回收转换头，然后进入1号三相分离器，水合物在1号三相分离器内持续降压分解，1号三相分离器把天然气、海水、泥砂分别分离，天然气气量被1号气体质量流量计计量，分离后的海水及泥砂称重计量，天然气被1号气体质量流量计计量后经10号阀、14号阀后进入储气罐；

（2）2号自由气层内的大量天然气、少量海水及泥砂通过3号降压开采井筒依次经22号阀、13号阀、1号背压调节阀进入2号三相分离器，1号自由气层6内的大量天然气、少量海水及泥砂通过2号降压开采井筒7依次经21号阀、13号阀、1号背压调节阀进入2号三相分离器，水合物层经高温蒸汽加热后分解的大量天然气、少量海水及泥砂通过1号降压开采井筒依次经20号阀、13号阀、1号背压调节阀进入2号三相分离器，天然气、海水、泥砂经2号三相分离器分离，天然气被2号气体质量流量计计量后经14号阀进入储气罐，分离后的海水及泥砂称重计量；

（3）联合开采过程中1号储层监测组件、2号储层监测组件、3号储层监测组件分别实时监测1号自由气层、2号自由气层、水合物层中温度、压力、电阻率、横波波速的参数动态变化规律，纵波监测仪实时监测1号自由气层、2号自由气层、水合物层中纵波波速的参数动态变化规律，进而反演1号自由气层、2号自由气层、水合物层中物性参数的动态变化规律；随着开采的进行，当储气罐压力高于1号三相分离器、2号三相分离器出口压力时，实验操作人员通过计算机打开17号阀、16号阀、19号阀，关闭14号阀，启动空气压缩机及气体增压泵，气体增压泵把1号三相分离器、2号三相分离器分离计量后的天然气增压后注入储气罐；当1号三相分离器、2号三相分离器出口天然气流量为“0”时，说明1号自由气层、2号自由气层中天然气及水合物层中水合物开采完成，联合开采过程完成。

进一步的，在联合开采过程后还包括后续处理过程，联合开采过程完成后，打开釜盖，清理盖层、水合物层、1号隔层、1号自由气层、2号隔层及2号自由气层剩余泥砂，完成内釜内海水清理，内釜清洗完成后，后续处理过程完成。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

（1）本发明提供的用于海洋水合物与自由气联合开采的实验装置及方法，可以模拟上部水合物藏、下覆自由气藏的联合开采过程，解决了现有装置仅模拟单一水合物藏开采、不能进行上部水合物藏、下覆自由气藏的联合开采模拟问题；

（2）该实验装置及方法可实现联合开采过程中水合物层、1号自由气层及2号自由气层各层温度、压力、电阻率、纵波波速、横波波速变化规律，进而得到水合物开展过程中任一时刻水合物层、1号自由气层、2号自由气层的孔隙度、含水饱和度、含气饱和度及水合物丰度等参数。

（3）该实验装置及方法可实现海洋水合物联合开采过程中气、液、固三相的空间展布规律的“可视化”原位实时动态反演、联合开采过程中开采过程中储层孔隙度和饱和度变化规律的原位实时动变规律监测、海洋水合物联合开采过程中储层物性参数动态演变规律。

（4）该实验装置及方法可实现联合开采过程中水合物层、1号自由气层及2号自由气层各层层间干扰机制及各层流体的渗流规律研究。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是图1中A部的放大示意图；

图3是本发明实施例1中构建成藏系统的装置的结构示意图；

图4是本发明实施例1中内釜层温控制组件的结构示意图。

图中：1-外釜；2-内釜；3-2号自由气层；4-3号降压开采井筒；5-2号隔层；6-1号自由气层；7-2号降压开采井筒；8-1号隔层；9-水合物层；10-固态流化外管；11-固态流化内管；12-1号温度传感器；13-1号阀；14-2号阀；15-内釜制冷机组；16-3号阀；17-4号阀；18-外釜制冷机组；19-纵波监测仪；20-蒸汽注入管道；21-5号阀；22-蒸汽注入泵；23-6号阀；24-蒸汽发生器；25-7号阀；26-清水注入泵；27-8号阀；28-清水罐；29-1号三相分离器；30-9号阀；31-1号气体质量流量计；32-10号阀；33-高压注入泵；34-1号海水储罐；35-11号阀；36-回收转换头；37-12号阀；38-13号阀；39-1号背压调节阀；40-2号三相分离器；41-2号背压调节阀；42-2号气体质量流量计；43-14号阀；44-15号阀；45-1号储气罐；46-16号阀；47-1号气体增压泵；48-17号阀；49-1号空气压缩机；50-1号储层监测组件；51-2号储层监测组件；52-3号储层监测组件；53-19号阀；54-20号阀；55-21号阀；56-22号阀；57-23号阀；58-釜盖；59-海水层；60-盖层；61-1号降压开采井筒；62-控制柜；63-计算机；64-3号背压调节阀；65、24号阀；66、25号阀；67、1号压力传感器；68、26号阀；69、天然气瓶；70、2号气体增压泵；71、2号空气压缩机；72、27号阀；73、28号阀；74、气体稳压罐；75、2号压力传感器；76、29号阀；77、1号压力调节阀；78、3号气体质量流量计；79、2号温度传感器；80、3号压力传感器；81、单向阀；82、30号阀；83、海水注入计量泵；84、31号阀；85、2号海水储罐；86、真空泵；87、4号压力传感器；88、32号阀；89、放空阀；90、33号阀；91、34号阀；92、5号压力传感器；93、气液分离器；94、35号阀；95、2号压力调节阀；96、36号阀；97、4号气体质量流量计；98、6号压力传感器；99、2号储气罐；100、37号阀；101、38号阀；102、20号阀；103、海水计量系统；104、流体管道；105、注液管道；106、注气管道；107、增压管道；108、气液分离管道；109、排气管；110、1号控温盘管；111、2号控温盘管；112、内釜制冷管道；113、外釜制冷管道；114、绝热隔板；115、间隙；116、降压开采管道；117、1号开采管；118、2号开采管；119、3号开采管；120、1号泄压管；121、2号泄压管；122、气体循环管；123、抽气管道；124、环空结构。

具体实施方式

实施例1：

如图1-图4所示，本发明提供的一种海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，包括成藏系统、用于向成藏系统注入蒸汽的蒸汽注入系统、用于将成藏系统中水合物进行固态流化模拟开采的固态流化开采系统、用于将成藏系统中水合物进行模拟降压开采的降压开采系统以及用于对成藏系统、蒸汽注入系统、固态流化开采系统和降压开采系统进行数据采集及控制的数据采集和控制系统；所述蒸汽注入系统、固体流化开采系统、降压开采系统均分别与数据采集和控制系统电连接。

下述将各个系统进行详细说明：

1.1成藏系统，

成藏系统包括外釜1、位于外釜1内侧的内釜2和釜盖58；内釜2与外釜1不连通，在进行实验时，内釜2内的海水与天然气不会进入外釜1内，所述釜盖58分别与外釜1和内釜2活动连接，且釜盖58与外釜1和内釜2均为密封连接；所述内釜2内侧自上而下依次设有海水层59、盖层60、水合物层9、1号隔层8、1号自由气层6、2号隔层5及2号自由气层3，所述2号自由气层3与内釜底部间具有用于气液分散的间隙115；所述2号自由气层3的底部、2号隔层5与2号自由气层3间、1号自由气层6与2号隔层5间、1号隔层8与1号自由气层6间、水合物层9与1号隔层8间、盖层60与水合物层9间、海水层59与盖层60间均分别设有内釜层温控制组件且通过该内釜层温控制组件将各层间隔开，所述内釜层温控制组件共为6个；所述内釜层温控制组件上均匀开设有用于海水与天然气流通的通孔；所述2号自由气层3、2号隔层5、1号自由气层6、1号隔层8、水合物层9、盖层60均按实验需求结合实际地层物性进行填砂。

成藏系统还包括安装在外釜1内壁或者内釜2外壁的用于监测外釜1内部温度的1号温度传感器12和对外釜1内温度进行调节的外釜制冷机组18，使外釜1为内釜2提供一个温度可调的低温环境；所述成藏系统还包括对2号自由气层3、1号自由气层6、水合物层9进行温度调节的内釜制冷机组15；所述内釜制冷机组15、外釜制冷机组18分别与数据采集和控制系统电连接。

成藏系统还包括分别用于监测水合物层9、1号自由气层6、2号自由气层3的温度、压力、电阻率、横波波速的1号储层监测组件50、2号储层监测组件51和3号储层监测组件52；所述釜盖60上安装有监测水合物层9、1号自由气层6以及2号自由气层3纵波数据的动态变化规律纵波监测仪19；所述1号储层监测组件50、2号储层监测组件51、3号储层监测组件52、纵波监测仪19分别与数据采集和控制系统电连接。

1号储层监测组件50用于开采过程中监测水合物层9内温度、压力、电阻率及横波数据的动态变化规律，2号储层监测组件51用于开采过程中监测1号自由气层6内温度、压力、电阻率及横波数据的动态变化规律，3号储层监测组件52用于开采过程中监测2号自由气层3内温度、压力、电阻率及横波数据的动态变化规律，内釜制冷机组15经1号阀13、2号阀14与内釜2连接，通过内釜制冷机组15实现对内釜2中海水层59、水合物层9、1号自由气层6、及2号自由气层3的分层控温功能，所述外釜制冷机组18经3号阀16、4号阀17与外釜1内的2号控温盘管111连接，外釜制冷机组18用于对内釜2提供低温环境。

作为可选的实施方式，1号储层监测组件50、2号储层监测组件51和3号储层监测组件52均分别包括温度传感器、压力传感器、电阻率传感器和声波传感器，所述温度传感器、压力传感器、电阻率传感器和声波传感器均分别安装在内釜1的内侧壁，用于随时监测2号自由气层3、1号自由气层6和水合物层9在注气成藏过程中的温度、压力、电阻率和横波波速；所述纵波监测仪19为声波传感器，可用于测量2号自由气层3、1号自由气层6、水合物层9的纵波波速。

作为可选的实施方式，每一个所述内釜层温控制组件均包括绝热隔板114和焊接在绝热隔板114上侧和下侧的1号控温盘管110，所述绝热隔板114上开设有用于海水和天然气流通的通孔，所述1号控温盘管110上也具有可供海水和天然气流通间隙；所述绝热隔板114的外形与内釜2相适应；内釜层温控制组件与内釜2的连接为活动连接，可以采用将绝热隔板114卡接在内釜2的内壁；所述内釜制冷机组15包括6个制冷机，6个制冷机分别通过对应的内釜制冷管道112与设置在所述2号自由气层3底部、2号自由气层3与2号隔层5间、2号隔层5与1号自由气层间6、1号自由气层6与1号隔层8间、1号隔层8与水合物层9间以及水合物层9与盖层60间的6个内釜层温控制组件的1号控温盘管110连接。

所述内釜制冷管道112上设有1号阀13和2号阀14；在图1和图2中只是画出了内釜制冷机组15中的1个制冷机来示意表达制冷机与1号控温盘管110的连接关系，而实际上，1个制冷机15通过对应的内釜制冷管道112对应连接1个内釜层温控制组件的1号控温盘管110，内釜制冷管道112对应设置为6组，6组内釜制冷管道112上均设有1号阀13和2号阀14；所述外釜1内壁设有2号控温盘管111；所述外釜制冷机组18通过外釜制冷管道113与设置在外釜1内壁的2号控温盘管111连接，所述外釜制冷管道113上设有3号阀16和4号阀17；所述制冷机、1号阀13、2号阀14、3号阀16和4号阀17分别与所述数据采集和控制系统电连接。组成内釜制冷机组15的6个制冷机分别与6个内釜层温控制组件连接，组成内釜制冷机组15的6个制冷机分别控制调节6个内釜层温控制组件的温度，进而达到对水合物层9、1号自由气层6、2号自由气层3分层控温的目的。

作为可选的实施方式，内釜2的高度为1.4-1.8m；内釜2的内径为680-700mm。

作为可选的实施方式，内釜2的高度为1.5m；内釜2的内径为690mm。

作为可选的实施方式，所述间隙115的高度为5cm，2号自由气层3的高度为25cm，2号隔层5的高度为15cm，1号自由气层6的高度为20cm，1号隔层8的高度为15cm，水合物层9的高度为30cm，盖层60的高度为20cm，海水层59的高度为20cm。当然，也可以根据需要做适当的调整。

作为可选的实施方式，所述外釜1与内釜2间具有间隙，所述外釜1的底部连接有制冷液体注入管和制冷液体排出管，所述1号温度传感器12用于测定制冷液体的温度（即外釜内的温度），制冷液可以让外釜1的温度处于一个相对恒温的状态。

作为可选的实施方式，制冷液体注入管通过管道一外接制冷液体储液箱，制冷液体排出管通过管道二外接制冷液体收集箱；所述制冷液体注入管与管道一以及制冷液体排出管与管道二之间均通过法兰盘连接。

1.2蒸汽注入系统

蒸汽注入系统包括蒸汽注入管道20，所述蒸汽注入管道20沿着注入蒸汽方向依次连接的清水罐28、8号阀27、清水注入泵26、7号阀25、蒸汽发生器24、6号阀23、蒸汽注入泵22、5号阀21，所述蒸汽注入管道20与水合物层9连通；所述8号阀27、清水注入泵26、7号阀25、蒸汽发生器24、6号阀23、蒸汽注入泵22、5号阀21分别与数据采集和控制系统电连接。蒸汽发生器24产生的高温蒸汽用于对水合物层9进行升温，促使水合物层9中水合物分解成天然气，进而便于降压法采出，蒸汽注入泵22用于把蒸汽发生器24产生的高温蒸汽注入水合物层9内；清水注入泵26用于把清水罐28内的清水输送至蒸汽发生器24，为蒸汽发生器24生成高温蒸汽提供水源；蒸汽注入管道20用于把蒸汽注入泵22内的高温高压蒸汽输送至水合物层9。

1.3固态流化开采系统

固态流化开采系统包括1号海水储罐34、高压注入泵33、流化开采管、回收转换头36、混合流体处理装置；所述流化开采管包括固态流化内管11和设置在固态流化内管11外侧的固态流化外管10，所述固态流化外管10和固态流化内管11间具有环空结构124；所述高压注入泵33低压端与1号海水储罐34连接，高压注入泵33高压端依次经11号阀35、回收转换头36与固态流化内管11的一端连接，固态流化内管11的另一端伸入水合物层9内；所述固态流化外管10的一端通过回收转换头36与混合流体处理装置连接，固态流化外管10的另一端伸入水合物层9内；所述1号海水储罐34与高压注入泵33间通过管道连接；所述高压注入泵33、混合流体处理装置分别与数据采集和控制系统电连接。

作为可选的实施方式，混合流体处理装置包括流体管道104以及沿着流体流动方向顺次设置在流体管道104上的1号三相分离器29、9号阀30、3号背压调节阀64、1号气体质量流量计31、10号阀32、14号阀43；所述流体管道104的一端与回收转换头36连接，所述流体管道104的另一端与1号储气罐45连接；所述1号三相分离器29、9号阀30、3号背压调节阀64、1号气体质量流量计31、10号阀32、14号阀43分别与数据采集和控制系统电连接。回收转换头36用于把固态流化开采过程中返出的混合流体转输进入1号三相分离器29，1号三相分离器29用于固态流化法开采出的混合流体中气、液、固三相的分离及液、固两相质量的计量，1号气体质量流量计31用于固态流化法开采出天然气气量计量，3号背压调节阀64用于调节1号三相分离器29的出口压力。

1.4降压开采系统

降压开采系统包括降压开采管道116、与水合物层9连通的1号降压开采井筒61、与1号自由气层6连通的2号降压开采井筒7以及与2号自由气层3连通的3号降压开采井筒4；所述降压开采管道116的一端分别与1号降压开采井筒61、2号降压开采井筒7、3号降压开采井筒4连接，所述降压开采管道116的另一端与1号储气罐45连接；所述降压开采管道116上沿着流体的流动方向依次连接有13号阀38、1号背压调节阀39、2号三相分离器40、2号背压调节阀41、2号气体质量流量计42；所述13号阀38、1号背压调节阀39、2号三相分离器40、2号背压调节阀41、2号气体质量流量计42均分别与数据采集和控制系统电连接。1号背压调节阀39用于调节降压开采过程中的开采压降，2号背压调节阀41用于调节2号三相分离器40的出口压力，2号气体质量流量计42用于计量降压法开采出的天然气气量，1号储气罐45用于储存开采出的天然气。

作为可选的实施方式，1号降压开采井筒61、2号降压开采井筒7、3号降压开采井筒4分别通过1号开采管117、2号开采管118、3号开采管119与降压开采管道116连接，所述1号开采管117、2号开采管118、3号开采管119上分别连接有20号阀54、21号阀55、22号阀56；所述20号阀54、21号阀55、22号阀56分别与数据采集和控制系统电连接。

作为可选的实施方式，所述13号阀38的流体进口侧还连接有1号泄压管120，所述1号泄压管120上连接有12号阀37，所述12号阀37与数据采集和控制系统电连接。所述12号阀37经20号阀54与1号降压开采井筒61连接，12号阀37用于压力过高的紧急情况下的泄压。

作为可选的实施方式，所述1号储气罐45上连接有2号泄压管121，所述2号泄压管121上连接有15号阀44；所述15号阀44与数据采集和控制系统电连接；15号阀44用于1号储气罐45压力过高时的泄压。

作为可选的实施方式，降压开采系统还包括1号气体增压泵47和1号空气压缩机49；所述1号气体增压泵47入口端与19号阀53连接，1号气体增压泵47出口端经16号阀46与1号储气罐45，1号气体增压泵47用于1号储气罐45压力高于1号三相分离器29、2号三相分离器40出口压力时向1号储气罐45增压注入天然气，1号空气压缩机49经17号阀48与1号气体增压泵47连接，1号空气压缩机49为1号气体增压泵47提供运行动力；所述1号气体增压泵47、1号空气压缩机49、16号阀46、17号阀48、19号阀53分别与数据采集和控制系统电连接。

作为可选的实施方式，所述釜盖58与外釜1和内釜2的连接处均设有密封件；所述釜盖58与流化开采套管、蒸汽注入管道20、1号降压开采井筒61、2号降压开采井筒7、3号降压开采井筒4、气液分离管道108的连接处均设有密封件。

作为可选的实施方式，所述密封件均为橡胶密封圈。

1.5数据采集和控制系统

数据采集和控制系统包括控制柜62和与其电连接的计算机63；所述1号温度传感器12、1号阀13、2号阀14、内釜制冷机组15、3号阀16、4号阀17、外釜制冷机组18、纵波监测仪19、5号阀21、蒸汽注入泵22、6号阀23、蒸汽发生器24、7号阀25、清水注入泵26、8号阀27、1号三相分离器29、9号阀30、1号气体质量流量计31、10号阀32、高压注入泵33、11号阀35、12号阀37、13号阀38、1号背压调节阀39、2号三相分离器40、2号背压调节阀41、2号气体质量流量计42、14号阀43、15号阀44、16号阀46、1号气体增压泵47、17号阀48、1号空气压缩机49、1号储层监测组件50、2号储层监测组件51、3号储层监测组件52、19号阀53、20号阀54、521号阀5、22号阀56、23号阀57、3号背压调节阀64分别与控制柜62电连接。

上述成藏系统的构建包括下述装置：

包括用于向成藏系统注入海水的注液系统、用于向成藏系统注入天然气的注气系统、气液分离系统、用于将成藏系统抽真空的真空系统。

注液系统，所述注液系统的出液端与所述内釜2连接且与2号自由气层3与内釜2底部间的间隙115连通。其包括通过注液管道105沿着注液方向依次连接的2号海水储罐85、31号阀84、海水注入计量泵83和30号阀82，所述注液管道105的尾端与所述内釜2连接且与所述间隙115连通；所述31号阀84、海水注入计量泵83和30号阀82分别与所述控制柜62电连接。在进行实验时，海水经海水注入计量泵83注入的海水在间隙115分散，以便海水向上部均匀运移；

注气系统，所述注气系统的出气端与所述内釜2连接且与所述2号自由气层3与内釜1底部间的间隙115连通；所述注气系统通过天然气瓶69向所述间隙115内注入天然气。其包括通过注气管道106沿着注气方向依次连接的天然气瓶69、26号阀68、1号压力传感器67、25号阀66、2号气体增压泵70、28号阀73、气体稳压罐74、29号阀76、1号压力调节阀77、3号气体质量流量计78、2号温度传感器79、3号压力传感器80及单向阀81；所述注气管道106的尾端与所述内釜2连接且与所述间隙115连通；所述2号气体增压泵70通过增压管道107与2号空气压缩机71连接，2号空气压缩机71通过压缩空气为2号气体增压泵70提供动力气源，进而驱动2号气体增压泵70，所述增压管道107上设有27号阀72；所述26号阀68、1号压力传感器4、25号阀66、37号阀100、2号气体增压泵70、28号阀73、气体稳压罐74、29号阀76、1号压力调节阀77、3号气体质量流量计78、2号温度传感器79、3号压力传感器80、单向阀81和2号空气压缩机71分别与所述控制柜62电连接。所述气体稳压罐74安装有2号压力传感器75，所述2号压力传感器75安装在气体稳压罐74上，用于监测气体稳压罐74内天然气压力；所述气体稳压罐74用于消除经2号气体增压泵70增压后的天然气的压力波动，以便达到向间隙115稳定注入天然气的目的；所述1号压力调节阀77用于调节气体稳压罐74出口压力；所述3号气体质量流量计78用于计量向间隙115注入的天然气量；所述单向阀81为了防止间隙115内海水及天然气的倒流；所述2号温度传感器79及3号压力传感器80分别用于测量向间隙115注入的天然气的温度及压力。在进行实验时，经2号气体增压泵70注入的天然气在间隙115均匀分散，以便天然气向上部均匀运移；

气液分离系统，包括通过气液分离管道108依次连接的38号阀101、34号阀91和气液分离器93；所述气液分离管道108的首端与釜盖58连接且与海水层59连通；所述气液分离管道108的尾端与气液分离器93连接；所述气液分离器93的出液口通过出液管与海水计量系统103连通，所述出液管上设有39号阀102；所述气液分离器93的出气口通过出气管沿着出气方向依次连接有35号阀94、36号阀96、4号气体质量流量计97和2号储气罐99，所述35号阀94的两侧并联连接有2号压力调节阀95；所述2号储气罐99通过气体循环管122与所述2号气体增压泵70连接，所述气体循环管122上设有24号阀65；所述38号阀101、34号阀91、气液分离器93、海水计量系统103、39号阀102、35号阀94、36号阀96、4号气体质量流量计97、2号压力调节阀95、24号阀65分别与所述控制柜62电连接。所述2号压力调节阀95用于调节进入4号气体质量流量计97的天然气流速，以提高4号气体质量流量计97计量天然气的计量精度；35号阀94与2号压力调节阀95在管路中并联连接，当气液分离器93出口压力低于2号压力调节阀95的最低调节能力时，天然气无法经过压力调节阀38，此时打开35号阀94便于天然气通过；气液分离器93用于把内釜2流出的海水与天然气分离，经气液分离器93分离后的海水用海水计量系统103计量。

所述气液分离器93上连接有5号压力传感器92；所述2号储气罐99上连接有6号压力传感器98；所述2号储气罐99上连接有排气管109，所述排气管109上设有23号阀57；所述5号压力传感器92、6号压力传感器98和23号阀57分别与所述控制柜62电连接。2号储气罐99用于储存4号气体质量流量计97计量后的天然气，23号阀57的作用是模拟成藏实验完成后排放剩余的天然气。

真空系统，包括通过抽气管道123依次连接的真空泵86、4号压力传感器87、32号阀88、放空阀89、33号阀90，所述抽气管道123与所述38号阀101连接；所述真空泵86、4号压力传感器87、32号阀88、放空阀89、33号阀90分别与所述控制柜62电连接。真空泵86用于实验前对整个成藏系统抽真空处理，降低实验装置中存在空气对实验的影响，放空阀89用于实验过程中因压力过高时的紧急放空降压。

本实施例中海洋水合物与自由气联合开采的实验装置的安装步骤（成藏实验）如下：

S1：填砂与安装

①将注液管道和注气管道分别与内釜连接；

②将绝热隔板的上表面以及下表面均焊接2号控温盘管111，构成内釜层温控制组件；第一个内釜层温控制组件安装、2号自由气层3填砂、第二个内釜层温控制组件安装、2号隔层5填砂、第三个内釜层温控制组件安装、1号自由气层6填砂、第四个内釜层温控制组件安装、1号隔层8填砂、第五个内釜层温控制组件安装、水合物层9填砂、第六个内釜层温控制组件安装、盖层60填砂，2号自由气层3、2号隔层5、1号自由气层6、1号隔层8、水合物层9及盖层60均按实验需求结合实际地层物性进行填砂操作，在填砂过程中，还需要分层预埋固态流化开采管、1号降压开采井筒61、2号降压开采井筒7、3号降压开采井筒4、蒸汽注入管道；关闭釜盖58，内釜填砂完成；内釜1填砂过程完成，此时，1号降压开采井筒61、2号降压开采井筒7、3号降压开采井筒4、蒸汽注入管道的上端均伸出釜盖；

③在内釜外壁对应的位置安装压力传感器、温度传感器、声波传感器、电阻率传感器；

④然后通过吊车将内釜放入外釜内，通过卡箍5将外釜1与釜盖4固定夹紧，完成釜盖与外釜的安装；

⑤将1号降压开采井筒61、2号降压开采井筒7、3号降压开采井筒4分别与1号开采管117；2号开采管118；3号开采管119连接；

S2：抽真空过程

实验操作人员通过计算机63下达指令打开32号阀88、33号阀90与38号阀101，并启动真空泵86，真空泵86对成藏系统进行抽真空作业，待成藏系统的真空度为-0.090～-0.095MPa时，实验操作人员通过计算机63下达指令关闭真空泵86，然后再关闭32号阀88、33号阀90与38号阀101，完成成藏系统的抽真空过程；

S3：注水过程

实验操作人员通过计算机63下达指令打开31号阀84及8号阀19，然后实验操作人员通过计算机63下达指令启动海水注入计量泵20，海水注入计量泵20根据流量设置缓慢向内釜2注入海水，海水注入计量泵20缓慢向内釜2注入海水的过程中，海水将自下向上缓慢充满间隙115、2号自由气层3、2号隔层5、1号自由气层6、1号隔层8、水合物层9、盖层60及海水层59的孔隙空间，海水注入计量泵20缓慢向内釜2注入海水的体积经海水注入计量泵20后上传至计算机63，直至内釜2压力持续为0MPa2min不在发生变化，关闭海水注入计量泵20，同时关闭31号阀84及8号阀19，注水过程完成；

S4：控温过程

实验操作人员通过计算机63下达指令打开21号阀27、124号阀658，同时启动外釜制冷机26，外釜制冷机26在计算机63自动控制下开始对外釜1内部进行温度调节，使外釜1内部温度达到实验设定温度（-5～15℃）后暂停；实验操作人员通过计算机63下达指令打开10号阀23、11号阀25，同时启动内釜制冷机组24，内釜制冷机组24在计算机63的控制下，分别对水合物层9、1号自由气层6、2号自由气层3进行温度调节，使水合物层9、1号自由气层6及2号自由气层3每层温度持续控制在实验设定温度（-5～15℃）的范围内，控温过程完成；

控温过程中1号储层监测组件50、2号储层监测组件51及3号储层监测组件52时刻采集2号自由气层3、1号自由气层6及水合物层9的温度、压力、电阻率、横波波速数据，纵波监测仪19采集2号自由气层3、1号自由气层6及水合物层9的纵波波速；

S5：注气成藏过程

实验操作人员通过计算机63下达指令打开26号阀68、25号阀66、27号阀72、28号阀73、29号阀76、34号阀91、39号阀102及36号阀96；实验操作人员通过计算机63再下达指令启动2号空气压缩机71，2号空气压缩机71驱动2号气体增压泵70工作，天然气瓶69内天然气被2号气体增压泵70增压后依次经28号阀73、气体稳压罐74、29号阀76、1号压力调节阀77、3号气体质量流量计78、2号温度传感器79、3号压力传感器80及单向阀81进入内釜2，天然气在间隙115均匀分散后在压差作用下将自下向上运移，天然气运移过程中同时驱替间隙115、2号自由气层3、2号隔层5、1号自由气层6、1号隔层8、水合物层9、盖层60及海水层59内饱和海水依次经38号阀101、34号阀91进入气液分离器93，天然气和海水经气液分离器93分离后，海水进入海水计量系统103计量，天然气在2号压力调节阀95处截止，直至达到实验设定压力后，在压力作用下天然气驱动2号压力调节阀95开启，天然气经过2号压力调节阀95后经4号气体质量流量计97计量后进入2号储气罐99，当6号压力传感器98的压力达到实验设定压力后关闭25号阀66，同时打开24号阀65，此时进入循环注气成藏阶段；

在循环注气成藏阶段，2号储气罐99内天然气经2号气体增压泵70增压后沿注气系统进入内釜2，再依次经间隙115、2号自由气层3、2号隔层5、1号自由气层6、1号隔层8、水合物层9、盖层60及海水层59进入气液分离系统，循环往复持续进行，天然气在经过水合物层9时，由于实验装置可以按水合物生成的条件来设置温度和压力（在实验的过程中，设置2号自由气层3、1号自由气层6及水合物层9的温度均为-5～15℃，设置注气成藏过程的压力为0～20Mpa），由于温度和压力条件适合水合物的生成，在水合物层9缓慢持续有水合物生成，天然气在运移过程中1号储层监测组件50、2号储层监测组件51及3号储层监测组件52时刻采集2号自由气层3、1号自由气层6及水合物层9的温度、压力、电阻率、横波波速数据，纵波监测仪19采集2号自由气层3、1号自由气层6及水合物层9的纵波波速；随着水合物层9中水合物的生成，海水和天然气在内釜2内消耗，内釜2压力降低，关闭24号阀65、同时打开25号阀66后向内釜2补充天然气，直至内釜2压力达到实验设定压力，打开24号阀65、同时关闭25号阀66，再次进入循环注气成藏阶段，循环往复进行，直至内釜2内的压力不在变化，说明水合物层9成藏过程完成，关闭2号空气压缩机71，同时，关闭所有开启的阀，注气成藏过程结束；

S6：天然气回收过程

注气成藏过程完成后，实验操作人员通过计算机63下达指令打开38号阀101、34号阀91、36号阀96、24号阀65、26号阀68及37号阀100，同时关闭25号阀66、28号阀73，启动2号空气压缩机71，2号空气压缩机71驱动2号气体增压泵70把天然气注入天然气瓶69内，直至内釜2压力为0MPa，关闭2号空气压缩机71，关闭所有开启的阀，天然气回收过程完成；完成海洋水合物与自由气联合开采的实验装置的安装，待进入下一步开采实验。

实施例2：

应用实施例1中的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置进行实验的方法，包括下述步骤：

S1：蒸汽注入过程

实验操作人员首先通过计算机63下达打开5号阀21、6号阀23、7号阀25、8号阀27及启动蒸汽注入泵22、蒸汽发生器24、清水注入泵26的指令，清水注入泵26把清水罐28内的清水持续注入到蒸汽发生器24，蒸汽发生器24持续产生高温蒸汽，蒸汽注入泵22把蒸汽发生器24产生的高温蒸汽经蒸汽注入管线20注入至水合物层9，水合物层9遇到高温蒸汽后持续发生分解，然后进入下一步的联合开采过程。

S2：联合开采过程

实验操作人员通过计算机61设定开采压差（如：开采压差可以为1MPa、2MPa、3Mpa等），计算机61根据实验需求的开采压差动态调整1号背压调节阀39的出口压力（如实验所需开采压差为2MPa，内釜2压力为20MPa，设定1号背压调节阀39出口压力为18MPa，随着降压开采进行，内釜2压力为18MPa，计算机61自动调节1号背压调节阀39的出口压力为16MPa），计算机61动态调整2号背压调节阀41、3号背压调节阀64的出口压力与1号背压调节阀39的出口压力形同；实验操作人员通过计算机61下达指令打开9号阀30、10号阀32、11号阀35、13号阀38、14号阀43、20号阀54、21号阀55、22号阀56，同时实验操作人员通过计算机61下达指令启动高压注入泵33，高压注入泵33把海水储罐34内海水加压后经固态流化内管11注入水合物层9，水合物层9被高压海水高压射流碎化后形成的天然气、海水、水合物、泥砂经固态流化外管10与固态流化内管11之间环空结构124上返至回收转换头36，然后进入1号三相分离器29，水合物在1号三相分离器29内持续降压分解，1号三相分离器29把天然气、海水、泥砂分别分离，天然气气量被1号气体质量流量计31计量，分离后的海水及泥砂称重计量，天然气被1号气体质量流量计31计量后经10号阀32、14号阀43后进入储气罐45；2号自由气层3内的大量天然气、少量海水及泥砂通过3号降压开采井筒4依次经22号阀56、13号阀38、1号背压调节阀39进入2号三相分离器40，1号自由气层6内的大量天然气、少量海水及泥砂通过2号降压开采井筒7依次经21号阀55、13号阀38、1号背压调节阀39进入2号三相分离器40，水合物层9经高温蒸汽加热后分解的大量天然气、少量海水及泥砂通过1号降压开采井筒61依次经20号阀54、13号阀38、1号背压调节阀39进入2号三相分离器40，天然气、海水、泥砂经2号三相分离器40分离，天然气被2号气体质量流量计42计量后经14号阀43进入储气罐45，分离后的海水及泥砂称重计量；联合开采过程中1号储层监测组件50、2号储层监测组件51、3号储层监测组件52分别实时监测1号自由气层6、2号自由气层3、水合物层9中温度、压力、电阻率、横波波速的参数动态变化规律，纵波监测仪19实时监测1号自由气层6、2号自由气层3、水合物层9中纵波波速的参数动态变化规律，进而反演1号自由气层6、2号自由气层3、水合物层9中物性参数的动态变化规律；随着开采的进行，当储气罐45压力高于1号三相分离器29、2号三相分离器40出口压力时，实验操作人员通过计算机61打开17号阀48、16号阀46、19号阀53，关闭14号阀43，启动空气压缩机49及气体增压泵47，气体增压泵47把1号三相分离器29、2号三相分离器40分离计量后的天然气增压后注入储气罐45；当1号三相分离器29、2号三相分离器40出口天然气流量为“0”时，说明1号自由气层6、2号自由气层3中天然气及水合物层9中水合物开采完成，联合开采过程完成。

S3：后续处理过程

联合开采过程完成后，打开釜盖60，清理盖层60、水合物层9、1号隔层8、1号自由气层6、2号隔层5及2号自由气层3剩余泥砂，完成内釜2内海水清理，内釜2清洗完成后，后续处理过程完成。

Claims (9)

1.一种海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，其特征在于：包括成藏系统、用于向成藏系统注入蒸汽的蒸汽注入系统、用于将成藏系统中水合物进行固态流化模拟开采的固态流化开采系统、用于将成藏系统中水合物进行模拟降压开采的降压开采系统以及用于对成藏系统、蒸汽注入系统、固态流化开采系统和降压开采系统进行数据采集及控制的数据采集和控制系统；所述蒸汽注入系统、固体流化开采系统、降压开采系统均分别与数据采集和控制系统电连接。

2.根据权利要求1所述的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，其特征在于：所述成藏系统包括外釜、位于外釜内侧的内釜和釜盖；所述釜盖分别与外釜和内釜活动连接，且釜盖与外釜和内釜均为密封连接；所述内釜内侧自上而下依次设有海水层、盖层、水合物层、1号隔层、1号自由气层、2号隔层及2号自由气层；所述成藏系统还包括对用于对内釜提供低温环境的外釜制冷机组和对海水层、水合物层、1号自由气层、2号自由气层进行分层控温的内釜制冷机组；所述内釜制冷机组、外釜制冷机组分别与数据采集和控制系统电连接。

3.根据权利要求1所述的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，其特征在于：所述成藏系统还包括分别用于监测水合物层、1号自由气层、2号自由气层的温度、压力、电阻率、横波波速的1号储层监测组件、2号储层监测组件和3号储层监测组件；所述釜盖上安装有监测水合物层、1号自由气层以及2号自由气层纵波数据的动态变化规律纵波监测仪；所述1号储层监测组件、2号储层监测组件、3号储层监测组件、纵波监测仪分别与数据采集和控制系统电连接。

4.根据权利要求1所述的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，其特征在于：所述固态流化开采系统包括1号海水储罐34、高压注入泵、流化开采管、回收转换头、混合流体处理装置；所述流化开采管包括固态流化内管和设置在固态流化内管外侧的固态流化外管，所述固态流化外管和固态流化内管间具有环空结构；所述固态流化内管的一端通过管道与高压注入泵连接，固态流化内管的另一端伸入水合物层内；所述固态流化外管的一端通过回收转换头与混合流体处理装置连接，固态流化外管的另一端伸入水合物层内；所述1号海水储罐34与高压注入泵间通过管道连接；所述高压注入泵、混合流体处理装置分别与数据采集和控制系统电连接。

5.根据权利要求4所述的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，其特征在于：所述混合流体处理装置包括流体管道以及沿着流体流动方向顺次设置在流体管道上的1号三相分离器、9号阀、3号背压调节阀、1号气体质量流量计、10号阀、14号阀；所述流体管道的一端与回收转换头连接，所述流体管道的另一端与储气罐连接；所述1号三相分离器、9号阀、3号背压调节阀、1号气体质量流量计、10号阀、14号阀分别与数据采集和控制系统电连接。

6.根据权利要求1所述的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，其特征在于：所述降压开采系统包括降压开采管道、与水合物连通的1号降压开采井筒、与1号自由气层连通的2号降压开采井筒以及与2号自由气层连通的3号降压开采井筒；所述降压开采管道的一端分别与1号降压开采井筒、2号降压开采井筒、3号降压开采井筒连接，所述降压开采管道的另一端与储气罐连接；所述降压开采管道上沿着流体的流动方向依次连接有13号阀、1号背压调节阀、2号三相分离器、2号背压调节阀、2号气体质量流量计；所述13号阀、1号背压调节阀、2号三相分离器、2号背压调节阀、2号气体质量流量计均分别与数据采集和控制系统电连接。

7.根据权利要求1所述的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，其特征在于：所述蒸汽注入系统包括蒸汽注入管道，所述蒸汽注入管道沿着注入蒸汽方向依次连接的清水罐、8号阀、清水注入泵、7号阀、蒸汽发生器、6号阀、蒸汽注入泵、5号阀，所述蒸汽注入管道与水合物层连通；所述8号阀、清水注入泵、7号阀、蒸汽发生器、6号阀、蒸汽注入泵、5号阀分别与数据采集和控制系统电连接。

8.根据权利要求1所述的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置，其特征在于：所述数据采集和控制系统包括控制柜和与其电连接的计算机。

9.应用权利要求1-8中任意一项所述的海洋水合物与自由气联合开采的实验装置进行实验的方法，其特征在于：包括下述步骤：

S1：蒸汽注入过程

实验操作人员首先通过数据采集和控制系统控制蒸汽注入系统向成藏系统的水合物层注入蒸汽，水合物层遇到高温蒸汽后持续发生分解，然后进入下一步的联合开采过程；

S2：联合开采过程

实验操作人员通过数据采集和控制系统设定开采压差，通过数据采集和控制系统控制固态流化开采系统对水合物层进行模拟开采，通过数据采集和控制系统控制降压开采系统对1号自由气层、2号自由气层和水合物层进行降压开采。

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